科技創(chuàng)新為冬奧健兒賦能助力
發(fā)布日期： 2021-03-17 供稿：光明日?qǐng)?bào)
編輯：吳楠 審核：劉曉俏 閱讀次數(shù)：原文標(biāo)題：科技創(chuàng)新為冬奧健兒賦能助力
原文鏈接：https://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2021-03/17/nw.D110000gmrb_20210317_7-01.htm
再過不到一年的時(shí)間,，北京冬奧會(huì)盛典的大幕就將拉開,。在緊鑼密鼓的備戰(zhàn)時(shí)刻，運(yùn)動(dòng)員在潔白的冰雪上劃過一道道弧線,，為迎接屬于自己的“高光時(shí)刻”作著預(yù)演,。而在他們背后有這樣一群人，在崇禮雪場(chǎng),、在實(shí)驗(yàn)室,、在計(jì)算機(jī)旁忙碌著，努力用“黑科技”分析解讀弧線背后的信息,。
滑冰滑雪的動(dòng)作如何更精準(zhǔn),？如何在非雪季進(jìn)行雪上訓(xùn)練？……為備戰(zhàn)冬奧,，幾年來,，由北京理工大學(xué)等高校共同實(shí)施的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“國家科學(xué)化訓(xùn)練基地建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”等“科技冬奧”項(xiàng)目穩(wěn)步推進(jìn)，一項(xiàng)項(xiàng)“黑科技”已經(jīng)或即將運(yùn)用于我國冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的訓(xùn)練中,，它們將為冬奧運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和比賽賦能和助力,。
捕捉到運(yùn)動(dòng)員一顰一笑的高精鏡頭
“針對(duì)設(shè)備在冰場(chǎng)環(huán)境下的適用情況，剛剛在首都體育學(xué)院進(jìn)行了測(cè)試,，按道理我們現(xiàn)在應(yīng)該在東北為運(yùn)動(dòng)員做些服務(wù),，但因?yàn)橐咔樵蛴?jì)劃受到一些影響?！北本├砉ご髮W(xué)光電學(xué)院儀器研究所副教授劉明告訴記者,。
讓劉明心心念念的設(shè)備，并不算龐然大物,，是兩臺(tái)將冰上運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)軌跡,、過程加以捕捉,、采集的裝備?！霸婆_(tái)變焦運(yùn)動(dòng)軌跡采集與動(dòng)作捕捉分析設(shè)備是有變焦功能的,，加入了智能跟蹤算法，可以從運(yùn)動(dòng)員起跑開始跟隨其全部運(yùn)動(dòng)過程,，運(yùn)動(dòng)員在畫面中大小相對(duì)穩(wěn)定,，就能形成對(duì)其比較精細(xì)的特寫。一方面可以便于提取其運(yùn)動(dòng)軌跡,，同時(shí)也可以對(duì)其身體部位進(jìn)行動(dòng)作捕捉。冰場(chǎng)全景圖像采集與運(yùn)動(dòng)軌跡分析系統(tǒng)則可對(duì)整個(gè)賽場(chǎng)進(jìn)行全景拍攝,，它有很高的單幀分辨率,，能達(dá)到2500萬像素和每秒160幀的幀頻，可記錄大場(chǎng)景下高速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)員的軌跡,。雖然精度低些,，但能同時(shí)測(cè)量多人?！眲⒚鞅硎?。
兩臺(tái)裝備的強(qiáng)強(qiáng)組合，究竟能幫上運(yùn)動(dòng)員什么忙,？劉明表示,，采集運(yùn)動(dòng)員跟蹤特寫和軌跡，可以幫助運(yùn)動(dòng)員優(yōu)化技術(shù)動(dòng)作,，更加科學(xué),、有效地進(jìn)行訓(xùn)練?！袄缦到y(tǒng)可以分析運(yùn)動(dòng)員頭部位置,，分析過彎道時(shí)頭部距離冰面的高度，幫助運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中更科學(xué)地調(diào)整身體姿態(tài)和平衡,?！眲⒚髡f。
那么,，完成跟蹤記錄,，為何不用高速攝像機(jī)代勞？劉明的答案很簡(jiǎn)單,，自己的設(shè)備就是要讓運(yùn)動(dòng)員,、教練員覺得好用。他告訴記者,，現(xiàn)有市場(chǎng)上常見的設(shè)備都可以滿足多角度拍攝和三維測(cè)算需求,，但視野相對(duì)固定,，記錄范圍相對(duì)有限，若要記錄較大范圍場(chǎng)地,，則需設(shè)置覆蓋不同區(qū)域的多組相機(jī),，系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)很高,，通常固定安裝在冰場(chǎng)內(nèi)無法移動(dòng),。
劉明表示，為突破這些局限,，僅是鏡頭從開始研發(fā)到目前產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)歷了7個(gè)版本,。“將云臺(tái)變焦技術(shù)運(yùn)用于機(jī)器視覺中,，首先要解決的問題就是精度問題,，云臺(tái)有個(gè)角精度，變焦鏡頭有個(gè)焦距變化的精度,，所以必須隨時(shí)知道焦距和放大率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),。而市面上的鏡頭無法做到，所以從轉(zhuǎn)臺(tái)到變焦系統(tǒng)只能自己做,，雖然工作量很大,，但設(shè)備的精度就有保障了。此外就是算法,，作為光學(xué)跟蹤系統(tǒng),，對(duì)于目標(biāo)物的干擾、遮擋比較敏感,，一旦出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員相互遮擋,、目標(biāo)物短暫丟失的情況，傳統(tǒng)算法就會(huì)亂套,，所以學(xué)生下了很大功夫去完善,，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了有短暫遮擋繼續(xù)跟蹤的功能，還在不斷改進(jìn),?！眲⒚髡f。
“定位到厘米”的三維重現(xiàn)
如果說劉明團(tuán)隊(duì)是在冰上的小場(chǎng)捕捉運(yùn)動(dòng)員的一顰一笑,，那么張海洋團(tuán)隊(duì)則是在雪地的大場(chǎng)捕捉滑行時(shí)速可達(dá)上百邁運(yùn)動(dòng)員的幾厘米偏差,。
高山滑雪運(yùn)動(dòng)員過旗門時(shí)雪板和旗門的相對(duì)位置如何？雪車雪橇入彎道的角度如何,？這些指標(biāo)在冰雪運(yùn)動(dòng)中都尤為重要,，既和選手的技術(shù)純熟度有關(guān)，也是選手在整個(gè)賽程平穩(wěn)發(fā)揮的關(guān)鍵因素,。然而,，這些運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地往往高山起伏,，賽道蜿蜒盤旋，有的長(zhǎng)達(dá)幾十公里,，如果不借助設(shè)備,，教練員甚至都看不到運(yùn)動(dòng)員在哪里。北理工光電學(xué)院副教授張海洋告訴記者,，過去教練員純粹靠經(jīng)驗(yàn)判斷,，而現(xiàn)在他的團(tuán)隊(duì)則可以為教練員提供精確到厘米級(jí)的數(shù)據(jù)。
“我們運(yùn)用無人機(jī),、車載激光雷達(dá)掃描奧運(yùn)雪場(chǎng),，然后從雪場(chǎng)的三維數(shù)據(jù)里提取其賽道參數(shù)提供給教練，例如轉(zhuǎn)彎半徑,、坡度等雪道參數(shù),，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的反演和場(chǎng)景重建后，提供給模擬訓(xùn)練裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)使用,。從今年年初開始，應(yīng)訓(xùn)練隊(duì)的要求,，我們還在研發(fā)在三維地形上實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)信息,，便于教練員觀測(cè)運(yùn)動(dòng)員滑行速度、轉(zhuǎn)彎速度等,?！睆埡Ｑ蠼榻B。
對(duì)于這個(gè)由5位老師,、10位學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)而言,，冒著嚴(yán)寒測(cè)雪場(chǎng)的經(jīng)歷令所有人難忘?！?月初,，崇禮雪場(chǎng)的溫度是零下35攝氏度，無人機(jī)很難達(dá)到要求,，只能由團(tuán)隊(duì)師生抱著激光雷達(dá)冒著低溫嚴(yán)寒去測(cè)量,。但是由于場(chǎng)地起伏、植被遮擋等原因,，激光雷達(dá)測(cè)量的一個(gè)步進(jìn)只有百米,，于是我們團(tuán)隊(duì)男生搬著設(shè)備、女生記錄數(shù)據(jù),，充分利用運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練休息的間隙,，一條雪道一條雪道進(jìn)行測(cè)量，整整在低溫下測(cè)了一天,。到第二天我們的三維場(chǎng)景就做出來了,，交給訓(xùn)練隊(duì)使用,。”團(tuán)隊(duì)一位成員說,。
“冬奧實(shí)地賽場(chǎng)賽道落差大,，運(yùn)動(dòng)員滑全程危險(xiǎn)性、技術(shù)要求很高,，需要克服很大心理壓力,，所以一天只能滑幾次，體力消耗很大,，借助仿真系統(tǒng)可以幫助其提高訓(xùn)練效率,、建立心理預(yù)期?！睆埡Ｑ蟊硎?，項(xiàng)目意義還在于為運(yùn)動(dòng)員搭建室內(nèi)模擬場(chǎng)景，團(tuán)隊(duì)掃描完每一個(gè)場(chǎng)景后,，VR團(tuán)隊(duì)都會(huì)緊張地投入到模擬場(chǎng)景的制作中,。“目前越野滑雪,、冬季兩項(xiàng)等項(xiàng)目的三維場(chǎng)景都在緊張的制作中,，等非雪季提供給運(yùn)動(dòng)員使用。因?yàn)槿S場(chǎng)景的精度很高,，在厘米級(jí),，所以仿真性也會(huì)很好，我們的滑雪模擬器不僅可以實(shí)現(xiàn)左右滑,，還有前后滑,，甚至全坡道的模擬，和高精度三維地形完美結(jié)合,?！?/p>
“精確到肌肉”的智能管理
“在速度滑冰運(yùn)動(dòng)中，主要是靠腳蹬冰來獲取動(dòng)量,。通過統(tǒng)計(jì)男女運(yùn)動(dòng)員起跑時(shí)身體左右兩側(cè)的各個(gè)夾角特征的平均值,，可知相比于男運(yùn)動(dòng)員而言，女運(yùn)動(dòng)員膝蓋之間的夾角偏大,，屈膝的幅度較小,，可以適當(dāng)嘗試一下壓低身體重心，右側(cè)手臂夾角偏大,，應(yīng)該適當(dāng)回收,，提高身體穩(wěn)定性?！遍L(zhǎng)春師范大學(xué)速滑隊(duì)的運(yùn)動(dòng)員接到了這樣一份智能化運(yùn)動(dòng)管理建議,。
跳臺(tái)滑雪用何種姿勢(shì)起跳最好,？速度滑冰如何控制身體與冰面角度？據(jù)悉,，北理工宇航學(xué)院針對(duì)高山滑雪,、越野滑雪、跳臺(tái)滑雪,、速度滑冰等4類冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目,，基于三維動(dòng)作捕捉技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué),、柔性傳感器技術(shù),、非接觸式生命體征檢測(cè)技術(shù)，研發(fā)了動(dòng)作姿態(tài)采集與空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng),、生理參數(shù)監(jiān)測(cè)與運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析訓(xùn)練系統(tǒng),，建立人體骨骼肌肉、呼吸循環(huán)等生物力學(xué)模型,，進(jìn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)員在不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中的各個(gè)專項(xiàng)訓(xùn)練中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,、分析、匯總,，為特定運(yùn)動(dòng)員提供個(gè)體化,、智能化訓(xùn)練方案。
將智能管理“精確到肌肉”的還有上海體育學(xué)院的劉宇教授團(tuán)隊(duì),，據(jù)報(bào)道，團(tuán)隊(duì)通過采集跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)信息,，結(jié)合可穿戴設(shè)備等新技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)啟動(dòng),、肌肉控制等方法研究，建立數(shù)字化高速影像,、冠軍選手模型,、運(yùn)動(dòng)員心理分析、運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)等,，為雪上技巧類項(xiàng)目提供理論和數(shù)據(jù)支撐,，助力選手實(shí)現(xiàn)成績(jī)突破。
為無微不至地服務(wù)于運(yùn)動(dòng)員,，一些高校還在運(yùn)動(dòng)員的穿戴上下了功夫,。據(jù)媒體報(bào)道，北京服裝學(xué)院劉莉教授團(tuán)隊(duì)用減阻面料設(shè)計(jì)了最新款速滑競(jìng)速服,，采用新型的柱狀陣列式抗沖擊結(jié)構(gòu)和新型吸能緩震材料,、防切割面料為高山滑雪、短道速滑選手設(shè)計(jì)了訓(xùn)練防護(hù)服,、比賽用服,。前不久,，天津工業(yè)大學(xué)領(lǐng)銜的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”積極保暖服裝研發(fā)項(xiàng)目組向備戰(zhàn)2022年北京冬奧會(huì)的運(yùn)動(dòng)員捐贈(zèng)了可穿戴自加熱耐低溫服裝用品，在零下40℃的環(huán)境下,，加熱面罩內(nèi)部溫度仍可達(dá)10℃左右,，持續(xù)發(fā)熱1至3小時(shí)。
“團(tuán)隊(duì)隊(duì)員很不容易,，但運(yùn)動(dòng)員比我們更辛苦,。我們非常榮幸能為他們提供技術(shù)支持。冬奧漸漸臨近,，希望每位運(yùn)動(dòng)員都能快樂訓(xùn)練,，多出成績(jī)，為國爭(zhēng)光,！”張海洋說,。
分享到：